Identification of the uniaxial tensile behaviour of fibre reinforced concrete : experimental and analytical approaches

In the fib (Féderation Internationale du Béton) Model Code for Concrete Structures 2010, Fibre Reinforced Concrete (FRC) was recognized as a new material for structures and this introduction had favoured a first step of growing of FRC in the structural applications, because the need of adopting new design concepts and the lack of international building codes had significantly limited a broad employment until then. Although the use of fibre reinforced concrete for structural applications is continuously increasing, it is still limited with respect to its potential. In fact, FRC is a very performing and promising material but still not widespread in use since it is difficult to evaluate on a proper way its tension constitutive behaviour. By following the current indications provided by the Model Code 2010, the constitutive laws that are obtained are not entirely representative of the tensile behaviour of this material and, in some situations, they may not work as well as expected. In particular, it has been noticed that the uniaxial tensile behaviour of FRC obtained by using the Model Code is acceptable for the evaluation of the ultimate limit states bearing capacity and in general for simplified calculations, but it shows limitations when it is employed to simulate the overall structural response and, more in general, in the numerical modelling of structures at Serviceability Limit States (SLS) conditions. In this thesis a minor change to the Model Code 2010 approach is proposed for the determination of tensile behaviour of a fibre reinforced concrete. This change provides benefits in the analysis of FRC structures both at Serviceability Limit States (SLS) and Ultimate Limit States (ULS). To this purpose, several experimental tests on FRC-beams have been conducted at the Material and Concrete Structure laboratory of Politecnico di Milano, in Lecco. Then the experimental results have been used to propose a modification of the approach suggested by the Model Code 2010, to obtain alternative uniaxial stress-strain curves of the FRC in tension. The resulting tensile curves have been implemented in a numerical finite element analysis performed by using the software ABAQUS, in order to understand which are the main limits and potentials of the Concrete Damage Plasticity (CDP) model, originally introduced by Lee and Fenves, for the modelling of FRC.

Nel Codice Modello per le strutture in calcestruzzo 2010 pubblicato dalla federazione fib (Féderation Internationale du Béton), il Calcestruzzo Fibro-Rinforzato (FRC) viene riconosciuto come un nuovo materiale per le strutture. Tale introduzione ha favorito un primo passo dello sviluppo del FRC nelle applicazioni strutturali, poiché la necessità di adottare nuovi concetti di progettazione e la mancanza di normative di costruzione internazionali ne avevano significativamente limitato la diffusione. Sebbene l'uso del calcestruzzo fibro-rinforzato per applicazioni strutturali sia in costante aumento, è ancora limitato rispetto al suo potenziale. Infatti, l’FRC è un materiale molto performante e promettente, ma ancora poco diffuso in quanto è difficile valutare in modo adeguato il suo comportamento a trazione. Seguendo l'attuale indicazione fornita dal Codice Modello 2010, le leggi costitutive che si ottengono non sono del tutto rappresentative del comportamento a trazione di questo materiale e, in alcune situazioni, possono non funzionare come previsto. In particolare, si è osservato che il comportamento a trazione uniassiale del FRC ottenuto utilizzando il Codice Modello 2010 è accettabile per la valutazione della capacità portante agli stati limite ultimi e in generale per calcoli semplificati, ma mostra limitazioni quando viene impiegato per simulare la risposta strutturale complessiva e più in generale nell'analisi numerica per lo studio degli Stati limite di Esercizio (SLE) delle strutture. In questa tesi viene proposta una piccola modifica all’approccio del Codice Modello per la determinazione del comportamento a trazione di un calcestruzzo fibro-rinforzato. Questa modifica offre ragguardevoli vantaggi nell'analisi delle strutture in FRC sia agli Stati Limite di Esercizio (SLE) sia agli Stati Limite Ultimo (SLU). A tale scopo, sono stati condotti numerose prove sperimentali su travetti in FRC presso il laboratorio di materiali e strutture in calcestruzzo del Politecnico di Milano, a Lecco. Successivamente, i risultati sperimentali sono stati utilizzati per proporre una modifica dell'approccio suggerito dal Codice Modello 2010, per ottenere curve alternative di comportamento uniassiale sforzo-deformazione dell’FRC a trazione. Le curve a trazione risultanti sono state impiegate in analisi numeriche agli elementi finiti, eseguite utilizzando il software ABAQUS, al fine di comprendere quali siano i principali limiti e potenzialità del modello Concrete Damage Plasticity (CDP), introdotto da Lee e Fenves, per la modellazione del FRC.